6. Aproximació termodinàmica als éssers vius (2016)

Resumen Catalán
Universidad Universidad Rovira y Virgili (URV)
Grado Bioquímica y Biología Molecular - 1º curso
Asignatura Bioquímica
Año del apunte 2016
Páginas 6
Fecha de subida 25/03/2016
Descargas 48
Subido por

Vista previa del texto

MRDD APROXIMACIÓ TERMODINÀMICA ALS ÉSSERS VIUS.
BIOENERGIA I FLUX ENERGÈTIC Introducció Un organisme viu necessita molècules (nutrients) per: 1.
2.
Obtenir energia (i transduir-la en formes útils per a ell) Obtenir precursors per a síntesi d’estructures El metabolisme és la suma de totes les reaccions químiques de biomolècules en un organisme.
El catabolisme agrupa les reaccions químiques oxidatives ¡ convergents a partir de les quals s’obté energia a partir dels compostos que s’ingereixen.
L’anabolisme agrupa totes les vies metabòliques destinades a crear noves estructures, ja sigui per renovar, per emmagatzemar, per a créixer, etc. A partir d’alguns nutrients o de productes del catabolisme, l’anabolisme és l’encarregat de, a partir de reaccions de reducció, crear noves molècules o estructures més complexes. Té un sentit divergent i les reaccions que es duen a terme normalment comporten un alt consum energètic.
És molt comú en organismes fer reservoris d’estructures i de molècules per a moment de la vida que en necessiten en quantitat i que en aquell moment no en puguin sintetitzar.
Estat estacionari Els éssers vius són sistemes obert, és a dir, no estan en equilibri i requereixen un subministrament constant d’energia per créixer, mantenir-se i reproduir-se.
ENERGIA PRIMÀRIA  Química: Oxidació de compostos químics (Ex: els animals)  Electromagnètica: Fotons de llum (Ex: les plantes) ENERGIA ÚTIL METABÒLICAMENT Transductors d’energia Biosíntesi Mobilitat Reserva MRDD L’energia del sol es pot emmagatzemar en estructures químiques. Els organismes quimioheteròtrofs fan servir aquestes estructures químiques per a altres finalitat en el seu organisme.
L’oxidació d’estructures orgàniques és una font d’energia important per les cèl·lules L’oxidació del carboni està relacionat amb la reducció: Les reaccions d’oxidació involucren la pèrdua d’electrons. Aquestes reaccions han d’anar emparellades amb reaccions que guanyin electrons. Aquestes reaccions emparellades són anomenades reaccions d’ oxidació – reducció o reaccions redox.
Els àtoms de carboni en estructures polimèriques són oxidats fins a CO2, i els electrons són acceptats en la última fase per l’oxigen per a formar H2O.
Com més reduït està un àtom de carboni, més energia s’allibera cap a la oxidació. S’obté ATP i NAD(P)H/FADH2 ja que són les formes on es guarda l’energia. Aquests dos últims però són convertits en ATP també. Al NAD(P)H i FADH2 se’ls anomena “poder reductor”.
Els greixos són una font d’energia més eficient que no pas la glucosa ja que aquests es poden reduir més. Quan s’oxida un gram d’àcid gras s’obtenen unes 9 Kcal, en canvi en oxidar un gram de glucosa s’obtenen 4 Kcal. Això és degut a que l’àcid gras és una estructura gairebé totalment reduïda i la glucosa està en un estadi més oxidat.
La essència del catabolisme és capturar energia a partir de l’oxidació del carboni i emmagatzemar-la com a ATP. L’oxidació de l’àtom de carboni pot formar un compost amb un alt potencial fosforil – transferasa que pot ser utilitzat per a sintetitzar ATP. Normalment en comptes de fer una reacció amb un únic pas, es fa mitjançant diversos passos a partir de l’oxidació dels quals s’alliberen electrons i + protons que són recollits pel NADH + H (reduït).
La primera molècula capta un grup fosfat, a partir de l’oxidació de la qual allibera protons i electrons que són emmagatzemats pel NADH. Aquesta molècula com que amb la molècula fosfit és molt inestable, ràpidament passa a la última forma (la que es busca en la reacció inicial) alliberant un grup fosfat que el passa a l’ATP. Aquests passos intermedis es fan per assegurar que l’energia alliberada la capta algú i no es perd.
MRDD El NAD és una molècula amb capacitat de captar 2 electrons i 2 protons. El NAD oxidat pot carregar 2 electrons i 1 protó, ja que el segon protó no s’uneix a la estructura de la molècula.
NAD: Nicotinamida adenina dinucleòtid Quan aquest grup –OH té esterificat un grup fosfat, s’obté NADP. Tant NADP i NAD són dos coenzims que tenen la funció de transportar poder reductor però que estan repartits en la seva dedicació al metabolisme.
NAD (vies catabòliques – emmagatzema el poder reductor); NADP (vies anabòliques – aporta el poder reductor).
El FAD també pot carregar 2 electrons i 2 protons per a convertir-se en FADH2 (reduït).
FAD: Flavina adenina dinucleòtid El FAD sol tenir un paper molt similar al NAD, la diferència és que en alguns enzims només es reconeix al NAD i en altres només es reconeix al FAD. També és sovint trobar-se el FMN (flavina mononucleòtid) – és una altra forma del FAD –.
L’ATP és la font universal d’energia lliure L’energia alliberada dels productes polimèrics ingerits és transformada en adenosina trifosfat (ATP), la font d’energia cel·lular. Aquesta energia es guarda per oxidació en els coenzims mencionats anteriorment. Tot i això, part d’aquesta energia també es guarda en forma de ATP.
La hidròlisi del ATP és un procés exergònic perquè la unitat de trifosfat conté 2 enllaços fosfoanhídrids que són molt inestables. L’energia alliberada en la hidròlisi del ATP és emprada per a facilitar i donar lloc un conjunt de funcions cel·lulars, les quals per elles mateixes són endergòniques i no es podrien dur a terme espontàniament.
∆G⁰ = 25ºC, 1 atm i 1M ∆G⁰’ = 25ºC, 1 atm i una molaritat que dóna pH=7 C. E en condicions genèriques Condicions estàndards en sistemes biològics/bioquímics MRDD L’alt potencial de transferència de grups fosfats del ATP a partir de les diferències estructurals entre el ATP i els seus productes de la hidròlisi: La ATP té un gran potencial per a transferir grups fosfats degut a tres factors claus: 1.
2.
3.
Repulsions de càrregues Estabilització per la ressonància que es genera.
Estabilització per hidratació.
 Estabilització per ressonància: El grup fosfat té 4 formes de ressonància. Aquest quan s’uneix i forma l’ATP però només en té 3 i és aquest fet el que propicia que hi hagi una gran tendència a alliberar aquest grup fosfat i passar a ADP.
 Estabilització per hidratació: La predisposició per a alliberar aquest grup fosfat dins d’un grup de molècules, es pot veure que el ATP es troba just al mig. Té molècules que tenen més facilitat per a despendre’l però també n’hi ha que aquesta predisposició la tenen més baixa.
Això té a veure en que la hidratació del ATP fent que aquest s’hidrolitzi en ADP li dóna la capacitat per a impulsar altres reaccions que per si mateixes no es podrien donar termodinàmicament.
MRDD Si una reacció endergònica és capaç d’acoblar un procés que estigui exergònicament molt afavorit i la suma neta de ambdós reaccions és prou negativa, aquesta aconseguirà que la reacció es transformi en un procés exergònic i que per tant es dugui a terme termodinàmicament.
Els éssers vius utilitzen molt aquest mecanisme de reaccions acoblades per a dur a terme reaccions que en un principi no es podrien dur a terme ja que són termodinàmicament desafavorides, i que amb la suma de l’energia associada a la transferència del grup fosfat del ATP, donen un increment d’energia negatiu i per tant es poden dur a terme espontàniament ja que són termodinàmicament afavorides.
Exemples Generació d’ATP Aquest procés es fa mitjançant la tRNA sintetasa, i n’hi ha una per cada AA diferent.
Hi ha dos mecanismes fonamentals pels quals es pot utilitzar una font d’energia externa per sintetitzar ATP a partir de ADP i fosfat: 1. Un de soluble: fosforilació a nivell de substrat La base de la fosforilació a nivell de substrat és la fosforilació enzimàtica del ADP per un compost amb elevat potencial de transferència de fosfat (major que el del ATP).
Els grups fosfats amb alta energia són transferits directament dels substrats fosforilats al ADP.
El ATP és sintetitzat via fosforilació nivell-substrat en la glicòlisi i el cicle de Krebs.
El ATP es forma quan un enzim transfereix un grup fosfat d’un substrat al ADP.
MRDD EXEMPLE 2. Un altre associat a membranes: fosforilació depenent del transport electrònic. [A partir d’un substrat amb energia suficient, es pot sintetitzar un ATP].
Amb molta diferència, la major part del ATP cel·lular s¡origina per electrofosforilació: la fosforilació d’ADP es produeix aprofitant l’energia generada per un flux d’electrons. [En eucariotes té lloc als mitocondris].
La fotofosforilació és el cas particular en que hi participin sistemes d’absorció i ús de llum visible.
[En eucariotes té lloc als cloroplasts].
TEORIA QUIMIOSMÒTICA (Mitchell, 1961) Aquesta teoria postula que mecanismes associats a la membrana permeten que el flux d’electrons des d’una molècula donadora (reductor) a una altra d’acceptora (oxidant) s’acobli a la fosforilació del ADP i que el lligam entre aquests dos processos és un gradient electroquímic de protons través d’aquesta membrana.
Procés vectorial: els components del sistema han d’estar en la direcció correcta. El sistema consta de: - Cadenes de transport electrònic = motor formador del gradient de protons.
- ATP sintetasa: utilitza l’energia d’entrada dels protons fabricant ATP.
+ - Una membrana aïllant elèctricament, poc permeable als H i tancada.
...